В первый день наступления войска фронта продвинулись на 6—12 километров. На второй день бои приняли ещё более напряжённый характер. К тому же резко ухудшилась погода, шёл надоедливый мелкий дождь, видимость была плохой. На авиацию уже нельзя было рассчитывать. Однако никаких остановок не предполагалось. Ватутин, чтобы дальше развить достигнутый успех, ввёл в сражение 3-ю гвардейскую танковую армию генерал-лейтенанта П. С. Рыбалко.
— Настал твой час, Павел Семенович, — напутствовал командарма Николай Федорович. — Медлить нельзя. Танковый кулак у тебя мощный. Громыхни им так, чтобы все тылы и коммуникации противника затрещали. Надеюсь на успех.
— Все ясно, товарищ командующий. Можете не сомневаться: армия выполнит приказ! — заверил Ватутина Рыбалко.
В середине дня танкисты Рыбалко во взаимодействии с частями Москаленко прорвали вторую полосу обороны немцев и вышли на оперативный простор. Противник отчаянно сопротивлялся. Однако расстояние до столицы Украины неумолимо сокращалось. К полуночи советские войска, сметая на своём пути обессиленные подразделения вермахта, уже были у северной окраины Святошино[56] и в районе шоссе Киев — Житомир. Мощный бронированный натиск сопровождался световыми и шумовыми эффектами. Танки, развернувшись в линию, стремительно двигались вперёд, разрезая полотно ночи ярким светом множества фар. Выли сирены, шла стрельба с ходу из пушек и пулеметов. Немцы метались в панике, им казалось, что они попали в ад. К утру 5 ноября танкисты Рыбалко окончательно перерезали шоссе Киев — Житомир, лишив немцев важной коммуникации. Одновременно были созданы благоприятные условия для войск, наступающих на столицу Украины.
Ватутин неослабно держал в своих руках все нити управления войсками. Его наблюдательный пункт был оборудован на безымянной высоте юго-западнее населённого пункта Новопетровцы, фактически в нескольких сотнях метров от переднего края немцев. Это позволяло ему лично наблюдать за обстановкой. Николай Федорович, как всегда, в спокойной манере, но твёрдо руководил действиями наступающих армий, корпусов и дивизий.
В дальнейшем в течение дня 38-я армия и 3-я гвардейская танковая армии добились решающего перелома в наступлении: части и соединения вышли на западную и северо-западную окраины Киева и постепенно продвигались к центру города. Вечером Ватутин отправил подробное донесение Сталину, в котором говорилось:
«Для непосредственной обороны Киева противник сосредоточил шесть пехотных дивизий (68, 75, 82, 88, 223 и 323 пд) с частями усиления — 385 учебный батальон, 101 и 109 артполки РГК, 1 учебный минометный полк тяжёлых метательных аппаратов, 618 дивизион ПТО, 202 дивизион штурмовых орудий, 11 и 12 отдельные штурмовые роты. С начала нашего наступления в район Киева противник подтянул 5 и 7 танковые дивизии (с общим количеством до 150—170 танков) и 20 моторизованную дивизию из резерва.
Против ударной группы 60-й армии противник имел шесть пехотных дивизий (183, 208, 217, 291, 327 и 340 пд) с частями усиления — 231 артполк и 276 дивизион штурмовых орудий РГК и 4.11.43 г. подтянул 8 танковую дивизию (80 танков).
Для прикрытия Киева с севера противник построил три укреплённые полосы обороны с развитой системой инженерных укреплений. Каждая полоса обороны имела окопы полного профиля с ходами сообщений, противотанковые рвы, проволочные заграждения, лесные завалы и минные поля.
В ходе боев за Киев войска 1 Украинского фронта разбили 68, 75, 82, 88, 323, 340, 183, 217 и 327 пд, 20 мд и 7 тд, которые потеряли до 60—70% личного состава и большую часть материальной части. В боях подбито и сожжено до 100 танков, захвачено до 1300 пленных. Захвачены большие трофеи — склады боеприпасов, вооружения и снаряжения, подсчет которых продолжается».
Эту телеграмму Ватутин отправил в Ставку в 21 час 40 минут, а поздней ночью ему позвонил Сталин. Верховный был в хорошем настроении.
— Судя по вашему докладу, товарищ Ватутин, операция по освобождению Киева близится к концу, — неторопливым голосом сказал Верховный.
— Да, товарищ Сталин, счёт идет на часы, — ответил Николай Федорович, — бои идут уже в центре города.
— Очень хорошо, товарищ Ватутин, — продолжал Сталин. — Освобождение Киева будет иметь огромное значение для всего нашего народа, станет хорошим подарком к 26-й годовщине Октября. Поэтому постарайтесь поскорее выполнить поставленную перед вами задачу.
И эта задача была выполнена. К четырём часам утра 6 ноября войска фронта полностью овладели столицей Украины. Сразу же в адрес Верховного главнокомандующего И. В. Сталина ушла телеграмма, подписанная представителем Ставки Маршалом Советского Союза Жуковым и Ватутиным. Текст был лаконичен: «С величайшей радостью докладываем Вам о том, что задача, поставленная Вами по овладению нашим прекрасным городом Киевом — столицей Украины, — войсками 1-го Украинского фронта выполнена. Город Киев полностью очищен от немецких оккупантов. Войска 1-го Украинского фронта продолжают выполнение поставленной Вами им задачи».